Machine learning based charge mobility prediction for organic semiconductors

有机半导体 橡胶 电荷(物理) 并五苯 各向异性 噻吩 化学 化学物理 材料科学 统计物理学 物理 光电子学 纳米技术 量子力学 有机化学 薄膜晶体管 图层(电子)
作者
Tianhao Tan,Dong Wang
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:158 (9) 被引量:9
标识
DOI:10.1063/5.0134379
摘要

Transfer integral is a crucial parameter that determines the charge mobility of organic semiconductors, and it is very sensitive to molecular packing motifs. The quantum chemical calculation of transfer integrals for all the molecular pairs in organic materials is usually an unaffordable task; fortunately, it can be accelerated by the data-driven machine learning method now. In this work, we develop machine learning models based on artificial neutral networks to predict transfer integrals accurately and efficiently for four typical organic semiconductor molecules: quadruple thiophene (QT), pentacene, rubrene, and dinaphtho[2,3-b:2',3'-f]thieno[3,2-b]thiophene (DNTT). We test various forms of features and labels and evaluate the accuracy of different models. With the implementation of a data augmentation scheme, we have achieved a very high accuracy with the determination coefficient of 0.97 and mean absolute error of 4.5 meV for QT, and similar accuracy for the other three molecules. We apply these models to studying charge transport in organic crystals with dynamic disorders at 300 K and obtain the charge mobility and anisotropy in perfect agreement with the brutal force quantum chemical calculation. If more molecular packings representing the amorphous phase of organic solids are supplemented to the dataset, the current models can be refined to study charge transport in organic thin films with polymorphs and static disorders.
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